Υπολογιστική
Τα Νανόσυρμα ανοίγουν νέες προοπτικές για αισθητήρες βασισμένους σε δονήσεις ώστε να υιοθετηθούν για ευρύτερη χρήση
Προσθέστε το Securities.io στις προτιμώμενες πηγές σας στο Google
Τα πιο σύγχρονα μικροτσίπ και οι εξελιγμένοι αισθητήρες είναι εργαλεία που μας βοηθούν να κάνουμε εκθετικές προόδους σε αυτή την εποχή της υπεργρήγορης επικοινωνίας και όχι μόνο. Η νέα έρευνα που ανοίγει το δρόμο για τη δημιουργία ενός νέου τύπου νανόσυρματος που δονείται περισσότερο από οποιοδήποτε προηγούμενο στερεό αντικείμενο μπορεί να αποδειχθεί ως ένα σημαντικό επίτευγμα. Μπορεί να βοηθήσει στην ενσωμάτωση υπερ-ευαίσθητων αισθητήρων με την τυπική τεχνολογία μικροτσίπ, δημιουργώντας ένα νέο παράδειγμα στην ανίχνευση με βάση τις δονήσεις.
Οι πιο ευαίσθητοι αισθητήρες του κόσμου: Προωθώντας τα όρια της νανοτεχνολογίας και της μηχανικής μάθησης
Μια ομάδα ερευνητών από το TU Delft και το Brown University ανέπτυξε αντηρίσματα που μοιάζουν με χορδές και μπορούν να δονηθούν περισσότερο σε θερμοκρασία δωματίου από οποιοδήποτε άλλο στερεό αντικείμενο που γνωρίζουμε μέχρι τώρα. Τα αποτελέσματα που παρήγαγε σε θερμοκρασία δωματίου θα μπορούσαν μόνο να επιτευχθούν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν προηγουμένως.
Επιστημονικά, οι ερευνητές παρουσίασαν νανομηχανικά αντηρίσματα που φτάνουν σε μήκος εκατοστών διατηρώντας πάχος σε νανόμετρα. Αυτή η ιδιότητα δημιουργεί νανόσυρμα που διαθέτει την υψηλότερη μηχανική ποιότητα μεταξύ οποιουδήποτε αντικειμένου στήριξης σε περιβάλλον θερμοκρασίας δωματίου. Σε αυτήν την περίπτωση, το αντικείμενο στήριξης είναι ένα μικροτσίπ.
Οι ερευνητές εφάρμοσαν ευαίσθητες τεχνικές νανοκατασκευής που βοήθησαν στην επίτευξη υψηλών αποδόσεων.
Για να το εξηγήσουμε από λειτουργική άποψη, όταν εξετάζαμε πόσο καλά η ενέργεια εκκρίνεται από ένα δονητικό αντικείμενο, αυτές οι χορδές μπορούσαν συγκεκριμένα να παγιδεύουν τις δονήσεις και να μην επιτρέπουν στη ενέργειά τους να διαρρεύσει.
Η μηχανική μάθηση καθοδήγησε τη συνέργεια μεταξύ νανοκατασκευής και βελτιστοποίησης σχεδίου. Η μηχανική ποιότητα ενισχύθηκε τόσο που οι συχνότητες έφτασαν τα 10 δισεκατομμύρια κιλοχέρτζ. Τέτοιες μηχανικές συχνότητες είναι συγκρίσιμες με τις επιδόσεις των κορυφαίων κρυογενικών αντηρίσματος και των αιωρούμενων νανόσφαιρων.
Ο αναπληρωτής καθηγητής Richard Norte, εξηγώντας τη σημασία της έρευνας, είπε τα εξής:
«Φανταστείτε μια κούνια που, μόλις κουνηθεί, συνεχίζει να κουνιέται για σχεδόν 100 χρόνια επειδή χάνει σχεδόν καθόλου ενέργεια μέσω των σχοινιών. Τα νανόσυρμα μας κάνουν κάτι παρόμοιο, αλλά αντί να δονείται μία φορά το δευτερόλεπτο όπως μια κούνια, οι χορδές μας δονείται 100.000 φορές το δευτερόλεπτο. Επειδή είναι δύσκολο η ενέργεια να διαρρεύσει, σημαίνει επίσης ότι ο περιβαλλοντικός θόρυβος είναι δύσκολο να εισέλθει, καθιστώντας τα μερικούς από τους καλύτερους αισθητήρες για περιβάλλοντα θερμοκρασίας δωματίου.»
Η ανάπτυξη της διαδικασίας κατασκευής της λύσης υποδεικνύει επίσης μια ριζική αλλαγή στον χώρο της νανοτεχνολογίας. Εξηγώντας το λόγο, η ηγέτης των ερευνητικών προσπαθειών, η Δρ. Andrea Cupertino, ανέφερε ότι παρόλο που οι χορδές έχουν μήκος 3 εκατοστά και πάχος 70 νανόμετρα όταν κλιμακώνονται, είναι ισοδύναμες με τη «κατασκευή χορδών κιθάρας από γυαλί που κρέμονται μισό χιλιόμετρο με σχεδόν μηδενική κλίση».
Αυτές οι ιδιότητες καθιστούν τη λύση κατάλληλη για ακραίες καθημερινές εφαρμογές, κάτι που θα ήταν πολύ δύσκολο να επιτευχθεί με την μέχρι τώρα αντίληψή μας για τη νανοτεχνολογία.
Το Δυναμικό Εφαρμογών της Λύσης
Η καινοτομία ανοίγει νέες προοπτικές στον τομέα της μελέτης των μακροσκοπικών κβαντικών φαινομένων σε θερμοκρασία δωματίου. Μέχρι τώρα, η μελέτη είχε καλυφθεί από θόρυβο. Ωστόσο, τα νανόσυρμα μπορούν να απομονώσουν αυτούς τους θορύβους, καθιστώντας τους νόμους της κβαντικής μηχανικής αναγνωρίσιμους σε χορδές που αποτελούνται από δισεκατομμύρια άτομα. Αυτό το φαινόμενο περιοριζόταν προηγουμένως σε μεμονωμένα άτομα. Η μετάβαση από ένα μεμονωμένο άτομο σε μια χορδή ατόμων έχει μεγάλο δυναμικό για κβαντική ανίχνευση σε καθημερινά περιβάλλοντα.
Τα νανόσυρμα επιτρέπουν επίσης την κατασκευή δομών που θα ήταν ιδιαίτερα χρήσιμες σε μικροσκοπικές συσκευές που μετρούν φυσικές ποσότητες όπως πίεση, θερμοκρασία, επιτάχυνση και μαγνητικά πεδία, γνωστές και ως αισθητήρες MEMS.
Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι η έρευνα θα ξεπεράσει τα όρια της εφαρμοσμένης επιστήμης όπως την ξέρουμε μέχρι τώρα και θα μας δείξει πώς οι υπερ-ευαίσθητοι αισθητήρες μπορούν να ενσωματωθούν με την τυπική τεχνολογία μικροτσίπ, ανοίγοντας νέες δυνατότητες στην ανίχνευση με βάση τις δονήσεις για τους ερευνητές.
Αν επεκταθεί σε ευρύτερο πεδίο, η μελέτη μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη πιο σύνθετων σχεδίων ικανοί να μετρήσουν πολλές κρίσιμες παραμέτρους, όπως η επιτάχυνση για αδρανειακή πλοήγηση ή μια δονητική κεφαλή τύμπανου για μικρόφωνα επόμενης γενιάς.
Για αρκετό καιρό, οι ερευνητές ενδιαφέρονται να αξιολογήσουν το δυναμικό των αισθητήρων δόνησης ως μη παρεμβατική τεχνολογία παρακολούθησης. Μια ανασκόπηση της διαθέσιμης έρευνας έδειξε ότι οι τεχνολογίες ανίχνευσης με βάση τις δονήσεις θα μπορούσαν να είναι χρήσιμες σε πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένης της παρακολούθησης ανθρώπων, υποδομών, ασφάλειας και υγείας.
Στις επόμενες ενότητες, θα εξετάσουμε αυτούς τους τομείς εφαρμογών που μπορούν να ωφεληθούν από την έρευνα που αφορά τις δονήσεις νανόσυρματος.
Πώς οι τεχνολογίες ανίχνευσης με βάση τις δονήσεις μας βοηθούν να αναπτύξουμε λύσεις
Οι τεχνολογίες αποστολής με βάση τις δονήσεις είναι εξαιρετικά χρήσιμες στη διάγνωση και την υγειονομική περίθαλψη. Ο λόγος είναι απλός. Τα μηχανικά κύματα που διαδίδονται στο σώμα μας λόγω φυσικών φυσιολογικών δραστηριοτήτων είναι αποκαλυπτικά σήματα που περιέχουν πληροφορίες για μια σειρά σωματικών γεγονότων, όπως η θέση του σώματος, η αναπνοή, ο παλμός, η βάδισμα, η κίνηση και άλλα. Η καταγραφή αυτών των μηχανικών-δονητικών σημάτων απαιτεί εξελιγμένες τεχνολογίες ανίχνευσης με βάση τις δονήσεις.
Αυτές οι τεχνολογίες ανίχνευσης παρακολουθούν επίσης μια σειρά ανθρώπινων συμπεριφορών, όπως οι Δραστηριότητες Καθημερινής Ζωής (ADL) και άλλα. Υπάρχουν αδρανειακοί αισθητήρες όπως επιταχυνσιόμετρα, γυροσκόπια και μαγνητόμετρα, αισθητήρες φυσικής υγείας όπως συσκευές ηλεκτροκαρδιογραφήματος, αισθητήρες θερμοκρασίας δέρματος και αισθητήρες δύναμης/πίεσης.
Η ανίχνευση με βάση τις δονήσεις παίζει κρίσιμο ρόλο στην εξασφάλιση επιτυχών συμπερασμάτων σε όλους αυτούς τους αισθητήρες. Παρέχουν επίσης αξιόλογες λύσεις σε ό, που αποκαλούμε υπηρεσίες εξαγωγής πληροφοριών πληρότητας. Αυτές οι υπηρεσίες περιλαμβάνουν σενάρια όπως η παρακολούθηση περιουσιακών στοιχείων, η εκτίμηση του αριθμού των ανθρώπων σε έναν χώρο, η εφοδιαστική, η ασφάλεια, κ.λπ.
Αυτές οι λύσεις βοηθούν στην περιγραφή της θέσης των υποκειμένων σε σχέση με τον περιορισμένο χώρο που βρίσκονται. Βοηθούν επίσης στην αναγνώριση ανθρώπων. Βοηθούν στην ταυτοποίηση εξουσιοδοτημένων χρηστών και εισβολέων ή στην ανίχνευση πτώσης.
Ένας άλλος τομέας της ανίχνευσης με βάση τις δονήσεις είναι η παρακολούθηση της υγείας των υποδομών, ιδιαίτερα η ανίχνευση σεισμικών ζημιών σε κτίρια που προκαλούνται από δονήσεις και ζημιές από σεισμούς. Σήμερα, αυτές οι λύσεις βοηθούν επίσης σε περιπτώσεις καταιγίδων, τυφώνας και εκρήξεων προσφέροντας επιστημονικά αποδεδειγμένο τρόπο αξιολόγησης της υγείας των υποδομών.
Πολλές τεχνολογικές εταιρείες έχουν ήδη αναπτύξει δημοφιλείς λύσεις που αξιοποιούν τα πλεονεκτήματα της ανίχνευσης με βάση τις δονήσεις. Η έρευνα που συζητήσαμε εδώ θα τους βοηθήσει να προχωρήσουν περαιτέρω. Ένας τέτοιος παγκοσμίως αναγνωρισμένος πάροχος λύσεων είναι η Rockwell Automation (ROK ).
#1. Rockwell Automation
Οι αισθητήρες παρακολούθησης κατάστασης της Rockwell Automation βοηθούν στην εκτέλεση μετρήσεων δόνησης και θέσης για τις περισσότερες εφαρμογές σε ακραία περιβάλλοντα θερμοκρασίας και επικίνδυνες τοποθεσίες.
Τα Συστήματα Έρευνας Eddy Current Bulletin 1442 της Rockwell, για παράδειγμα, βοηθούν στη μέτρηση δόνησης άξονα, αναφοράς φάσης/ταχύτητας και θέσης ρότορα/σπρώγματος σε βιομηχανικά μηχανήματα. Το επόμενο προϊόν στη σειρά, οι επιταχυνσιόμετρα της σειράς Bulletin 1443, μπορούν επίσης να μετρήσουν δόνηση σε βιομηχανικά μηχανήματα. Πρόκειται για ένα εξελιγμένο επιταχυνσιόμετρο με ευρύ φάσμα συχνοτήτων που ξεκινά από 0,2 Hz (12 CPM) έως πολύ υψηλή συχνότητα μέχρι 26 kHz (1560 kpm).
Rockwell Automation διαθέτει επίσης μια λύση που υποστηρίζει τις προσπάθειες προγνωστικής συντήρησης και παρέχει βασική διάγνωση δόνησης μηχανημάτων με φορητά συλλέκτες δεδομένων που μπορούν να μετρήσουν, επεξεργαστούν, εμφανίσουν και αποθηκεύσουν μια ποικιλία λειτουργιών ανάλυσης. Όσον αφορά τις χαμηλές συχνότητες, η λύση μπορεί να φτάσει μέχρι 0,2 Hz ή 12 kpm. Στο υψηλότερο άκρο, μπορεί να φτάσει έως 30 kHz ή 1800 kpm. Μπορεί επίσης να λειτουργήσει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, έως 260 βαθμούς Κελσίου ή 500 βαθμούς Φαρενάιτ.
Οι δονητικοί αισθητήρες της Rockwell με τροφοδοσία μέσω βρόχου, εξόδου 4-20 mA, μετρούν σήματα που αντιπροσωπεύουν τα συνολικά επίπεδα δόνησης που παράγονται από πολλούς τύπους περιστρεφόμενων μηχανημάτων. Τα ενσωματωμένα ασφαλή επιταχυνσιόμετρα διαθέτουν ειδικές δυνατότητες για να καλύψουν τις απαιτήσεις ενός επικίνδυνου περιβάλλοντος.
Στο οικονομικό έτος 2023, Η Rockwell Automation κατέγραψε έσοδα άνω των 9,058 δισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ, σημαντική αύξηση σε σχέση με τα έσοδα του 2022 των 7,76 δισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ.
#2. Omron
Μια άλλη παγκόσμια εταιρεία που έχει κάνει εξαιρετική δουλειά με τεχνολογίες ανίχνευσης με βάση τις δονήσεις είναι η Omron. Έχει κατασκευάσει το τον μικρότερο σε κλίμακα, υψηλής ακρίβειας σεισμικό αισθητήρα του κόσμου. Ο αισθητήρας δόνησης φιλικός προς το IoT φέρει το εμπορικό όνομα D7S.
Το D7S είναι ένας σεισμικός αισθητήρας που βοηθά στη μείωση δευτερευόντων καταστροφών από σεισμούς. Ο αισθητήρας μπορεί να προσαρμοστεί σε οποιαδήποτε συσκευή λόγω του εξαιρετικά μικρού μεγέθους του. Ως δείκτης υψηλής ακρίβειας φασματικής έντασης σεισμού, απορρίπτει τον θόρυβο παλμικής δόνησης και συσχετίζεται έντονα με τις ζημιές που έχουν προκληθεί σε δομές. Το γεγονός ότι είναι φιλικός προς το IoT το βοηθά να δημιουργεί χάρτες σεισμών και χάρτες διάσωσης.
Σε όρους εφαρμογών, βοηθά στην πρόληψη δευτερευόντων ζημιών σε ημιαγωγούς, χημικά εργοστάσια και διανομητικά πίνακες. Οι χρήστες μπορούν να εγκαταστήσουν αυτούς τους αισθητήρες στα σπίτια τους σε διανομητικούς πίνακες, συστήματα πρόληψης πυρκαγιάς και οικιακές συσκευές. Η κοινωνία, εν τω μεταξύ, μπορεί να ωφεληθεί από αυτούς τους αισθητήρες όταν είναι εγκατεστημένοι σε μετρητές ηλεκτρικού ρεύματος, αυτοκινητόδρομους, γέφυρες, σιδηρόδρομους κ.ά.
Άλλες πολλές δυνατότητες κάνουν το D7S να ξεχωρίζει από τους ανταγωνιστές του. Για παράδειγμα, ο 3-άξονες επιταχυνσιόμετρος του και ο μοναδικός αλγόριθμος υπολογισμού τιμής SI οδηγούν σε επιφανειακά τοποθετήσιμα συμπαγή μοντέλα και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Ο σχετικά υψηλότερος βαθμός ελευθερίας το καθιστά κατάλληλο για ενσωμάτωση σε συσκευές και παρατεταμένη λειτουργία με μπαταρία. Πάνω απ’ όλα, το τερματικό εξόδου τερματισμού (INT1) λειτουργεί ισοδύναμα με έναν συμβατικό μηχανικό αισθητήρα δόνησης, εξασφαλίζοντας συμβατότητα με μηχανικούς αισθητήρες δόνησης.
Στο οικονομικό έτος 2023, η Omron κέρδισε ετήσια έσοδα 890 δισεκατομμυρίων γιεν, αύξηση λιγότερο από 2% σε σχέση με τα έσοδα του προηγούμενου έτους των 876,1 δισεκατομμυρίων γιεν.
Το Μέλλον της Ανίχνευσης με Βάση τις Δονήσεις
Ερευνητές παγκοσμίως διεξάγουν πολλά ενδιαφέροντα ερευνητικά προγράμματα στον τομέα των τεχνολογιών ανίχνευσης με βάση τις δονήσεις και των αισθητήρων. Το 2021, μια ομάδα ερευνητών πρότεινε μια λύση που ονομάζεται VibroTag που θα μπορούσε να λειτουργήσει με smartphones διαφορετικού υλικού ως ένα ανθεκτικό και πρακτικό σχήμα ανίχνευσης με βάση τις δονήσεις.
Μπορούσε να εξάγει λεπτομερείς υπογραφές δόνησης διαφορετικών επιφανειών, παρακάμπτοντας τις επιδράσεις του περιβαλλοντικού θορύβου και των ακανόνιστων χαρακτηριστικών του υλικού. Οι ερευνητές εφάρμοσαν το VibroTag σε δύο διαφορετικά τηλέφωνα Android και τα αξιολόγησαν σε πολλαπλά περιβάλλοντα, συλλέγοντας δεδομένα από τέσσερα άτομα για έναν παρατεταμένο αριθμό ημερών. Το VibroTag πέτυχε μέση ακρίβεια 86,55 τοις εκατό και μπορούσε να αναγνωρίσει 24 διαφορετικές τοποθεσίες/επιφάνειες, ακόμη και όταν κάποιες από αυτές τις επιφάνειες ήταν κατασκευασμένες από παρόμοιο υλικό.
Μια άλλη ομάδα ερευνητών από το τμήμα Smart Materials and Structure Health Monitoring (SMASH) του Πανεπιστημίου Μπολόνιας πρότεινε ένα καινοτόμο, χαμηλού κόστους και ελαφρού βάρους Σημείο Αισθητήρα (SN) που θα μπορούσε να προσφέρει γρήγορα αναπτύξιμες δίκτυα αισθητήρων για μακροπρόθεσμη και πραγματικού χρόνου παρακολούθηση ακουστικής εκπομπής (AE) και δόνησης (ACC). Η εγκατάσταση κατασκευάστηκε με τέτοιο τρόπο ώστε η λύση να ελαχιστοποιεί σημαντικά την ευαισθησία στον εξωτερικό θόρυβο. Η προσέγγιση παρακολούθησης κοντά στον αισθητήρα μείωσε δραστικά τον όγκο των ακατέργαστων δεδομένων που έπρεπε να επεξεργαστούν και να αποθηκευτούν για σκοπούς NDT και SHM.
Άλλη έρευνα που συνδύασε τη νανοτεχνολογία με την ανίχνευση με βάση τις δονήσεις ήταν ένας αισθητήρας χαμηλής συχνότητας δόνησης (LV-TENG) βασισμένος σε τριβοηλεκτρικό νανογεννήτρια με δομή δοκού-καμπυλόγραμμου. Αυτός ο αισθητήρας μπορούσε να εκτελεί ανίχνευση δόνησης υψηλής ακρίβειας ενώ συλλέγει αποτελεσματικά την ενέργεια δόνησης.
Ένα πείραμα που διεξήχθη για την αποδοτικότητα του LV-TENG ήταν εξαιρετικά θετικό. Μπορούσε να ανιχνεύσει σωστά τη δόνηση της δομής με συχνότητα από 0,1 Hz έως 5,0 Hz και πλάτος από 2,0 mm έως 10,0 mm. Ακόμη και η τάση εξόδου ακολούθησε μια θετική γραμμική σχέση με τη συχνότητα, με τον συντελεστή συσχέτισης να φθάνει έως 0,994. Οι ερευνητές ήταν θετικοί ότι το LV-TENG θα μπορούσε να προσφέρει μια νέα οδό για την παρακολούθηση δόνησης χαμηλής συχνότητας και να χρησιμοποιηθεί για ανάλυση παρακολούθησης υγείας δομής στη ναυπηγική.
Η έμμεση και άμεση παρακολούθηση της υγείας των υποδομών, των ανθρώπινων συνθηκών υγείας και των προτύπων συμπεριφοράς μπορεί να ωφελήσει σημαντικά την ανθρώπινη ζωή. Μπορεί να μειώσει τις ζημιές και να βελτιώσει τη ζωή τόσο των ανθρώπων όσο και των μηχανών. Η ανίχνευση με βάση τις δονήσεις είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για την εκτέλεση τέτοιων παρακολουθήσεων. Η ενσωμάτωση της νανοτεχνολογίας σε αυτά τα εργαλεία ή αισθητήρες καθιστά τις λύσεις πιο εύχρηστες, καθώς είναι εξαιρετικά φορητές και μπορούν να ενσωματωθούν ως μέρη φορετών ή μη φορετών συσκευών.
Η τεχνολογία έχει επίσης κερδίσει πολύ έδαφος επειδή είναι χαμηλού κόστους και καταναλώνει λιγότερη ενέργεια. Συνεπώς, αποτελεί λύση που καλύπτει τις ανάγκες τόσο εσωτερικής όσο και εξωτερικής παρακολούθησης. Το μέλλον, όπως πιστεύουν οι ερευνητές, θα δει πιο έντονη έρευνα σε μη παρεμβατικές λύσεις.
Σε όρους εφαρμογών, έχει το δυναμικό να εξυπηρετήσει ένα ευρύ φάσμα έξυπνων οικιακών και περιβαλλοντικών εφαρμογών. Ωστόσο, χρειάζεται περισσότερη εργασία να γίνει στις δυνατότητες επεξεργασίας σήματος και στη χρήση τεχνικών μηχανικής μάθησης για να γίνουν αυτοί οι αισθητήρες υποκατάστατο των συμβατικών μηχανισμών ανίχνευσης.
